BE1023008A1

BE1023008A1 - Pixels intégrants et procédés de fonctionnement

Info

Publication number: BE1023008A1
Application number: BE20155204A
Authority: BE
Inventors: Joshua Lund; Patrick Kuschak; Minlong Lin; Robert Brubaker
Original assignee: Sensors Unlimited Inc
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-11-03
Also published as: US9686490B2; IL237993A0; IL237993B; US20150281612A1; BE1023008B1

Abstract

Une cellule de pixels comprend un premier condensateur d'intégration, un second condensateur d'intégration, un photodétecteur et un transistor. Le premier condensateur d'intégration comprend un premier fil couplé fonctionnellement au photodétecteur. Le second condensateur d'intégration comprend un premier fil. Le transistor est couplé fonctionnellement entre les fils des premier et second condensateurs d'intégration pour permettre la circulation de courant entre le photodétecteur et le second condensateur d'intégration seulement une fois qu'une tension seuil a été atteinte aux bornes du premier condensateur d'intégration.

Description

PIXELS INTÉGRANTS ET PROCÉDÉS PE FONCTIONNEMENT

ARRIÈRE-PLAN DE L’INVENTION 1. DomamedePinvention

La présente invention concerne des circuits de capteurs d’images et plus particulièrement, des cellules de pixels destinées, par exemple, à une matrice de capteurs d’un imageur. 2. Description de l’ ar t connexe

De nombreuses techniques d’imagerie utilisent des pixels intégrants qui accumulent un courant photoélectrique produit dans un photodétecteur, par exemple une photodiode, pour charger un condensateur d’intégration. La quantité de signal que le pixel peut détecter avant saturation est appelée capacité de puits et est proportionnelle à la valeur physique du condensateur d’intégration. La sensibilité <f un pixël intégrant (ou gain de conversion) est également liée à la valeur de capacité du condensateur d’intégration, mas est inversement proportionnelle. En général, on souhaite à la fois une haute sensibilité et une . grande capacité de . puits, mais ces .paramètres de performance des pixels sont typiquement en concurrence directe.

Avec les pixels intégrants classiques, on a tenté de résoudre le problème en ayant plusieurs modes de fonctionnement, par exemple un mode pour la haute sensibilité et un mode pour la grande capacité de puits. Pour ce faire, on utilise généralement un petit condensateur d’intégration pour le mode à haute sensibilité et on permet la connexion, par un interrupteur, d’un condensateur d’intégration supplémentaire, plus gros, pour activer le mode grande capacité de puits. Cet interrupteur est généralement mis ai oeuvre par un ou plusieurs transistors qui fonctionnent sur des modes binaires MARCHE ou ARRÊT. En outre, les architectures de capteurs sont généralement conçues pour que tous les pixels d’une matrice soient contrôlés de façon homogène, de sorte que tous les pixels fonctionnent uniquement en mode haute sensibilité ou en mode haute capacité.

Les pixels intégrants classiques possèdent une qualité d’imagerie limitée, due en partie au compromis entre la sensibilité et la grande capacité de puits. Il

©ciste un besoin, dans l’art, pour des pixels intégrants offrant une meilleure qualité d’imagerie La présente invention fournit une solution à ce besoin. ♦RÉSUMÉ DE L’INVENTION U ne cellule de pixel s comprend un premier condensateur d’intégration, un second condensateur d’intégration, un photodétecteur et un transistor. Le premier condensateur d’intégration comprend un premier fil couplé fonctionnellement au .photodétecteur. Le second condensateur d’ intégration comprend un premier fil. Le transistor est couplé fonctionnellement entre les fils des premier et second condensateurs d’intégration pour permettre la circulation de courant entre le photodétecteur et le second condensateur d’intégration seulement une fois qu’ une tension seuil a été atteinte aux bornes du premier condensateur d’intégration.

Selon certa'ns modes de réalisation, le second condensateur d’intégration a une capacité supérieure a celle du premier condensateur d’intégration. La cellule de pixels peut également comprendre un miroir de courant couplé fonctionnellement entre le photodétecteur et les condensateurs. Le transistor peut être un dispositif.de type.NMOS et/ou un dispositif de type PMOS. La cellule de pixels peut également comprendre un second transistor couplé fonctionnellement entre le photodétecteur et le premier condensateur d’intégration. Le photodétecteur peut être une photodiode.

Les premier et second condensateurs d’intégration peuvent être couplés fonctionnellement en série ou en parallèle par rapport au trajet de courant d’un signal. La cellule de pixels peut également comprendre un dispositif de réinitialisation de la tension et un amplificateur d’entré© Le dispositif de réinitialisation de la tension peut être couplé fonctionnellement au premier condensateur d’intégration. L’amplificateur d’entrée peut être couplé fonctionnellement entre le photodétecteur et un miroir de courant. Chacun des premier et second condensateurs d’intégration peut être mis à la terre et le miroir de courant peut être couplé fonctionnellement à des sources de tension de polarisation.

Un procédé d’intégration de courant photoélectrique pour des cellules dé pixels à double gain comprend la réception d’un signal électrique émis par un photodétecteur dans un premier condensateur d’intégration lorsque la tension d’un premier condensateur d’intégration se trouve dans une première plage de tension, et la réception du signal électrique émis par le photodétecteur dans le ' premier condensateur d’intégration et un second condensateur d’intégration lorsque la tension du premier condensateur d’intégration se trouve dans une seconde plage de tension. La première plage de tension se situe entre une tension de réinitialisation et une tension seuil. La sensibilité des pixels et la capacité de puits dans la première plage de tension sont fonction de la valeur du premier condensateur d’intégration. La sensibilité des pixels et la capacité de puits dans la seconde plage de tension sont fonction de la somme des valeurs des premier et second condensateurs d’intégration. La première plage de tension peut être supérieure à la tension de réinitialisation. La seconde plage de tension peut être supérieure ou égale à la tension seuil. La première plage de tension peut être inférieure à une tension de réinitialisation. La seconde plage de tension peut être inférieure ou égale à la tension seuil.

Les caractéristiques précitées des systèmes et procédés de la présente divulgation, et d’autres encore, ressortiront plus clairement pour l’homme du métier à la lecture de la description détaillée ci-après des modes de réalisation préférés, conjuguée avec celle des dessins.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Afin que l’homme du métier dont relève la présente divulgation comprenne facilement comment réaliser et utiliser les dispositifs selon la présente divulgation sans procéder à d’inutiles expérimentations, nous allons à présent décrire de manière détaillée les modes de réalisation préférés de cette dernière en faisant référence à certaines figures, sur lesquelles : la figure 1 est une vue schématique d’un exemple de réalisation d’une cellule de pixels intégrants réalisée conformément à la présente invention, qui montre les premier et second condensateurs d’intégration agencés en série par rapport au signal de courant, avec un miroir de courant couplé fonctionnellement entre un photodétecteur et les condensateurs ; la figure2 est une vue schématique d’un exemple de réalisation d’une cellule de pixels intégrants réalisée conformément à la présente invention, qui montre tes premier et second condensateurs d’intégration agencés en série par rapport au signal de courant ; la figure3 est une vue schématique d’un exemple de réalisation d’une cellule de pixels intégrants réalisée conformément à la présente invention, qui montre les premier-et second condensateurs d’intégration agencés en parallèle par rapport au signal de courant ; et la figure 4 est une courbe de la tension intégrée en fonction du courant photoélectrique pour la cellule de pixels intégrants de la figure 2.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS

Nous allons à présent nous référer aux dessins, sur lesquels les mêmes numéros de référence identifient des caractéristiques ou aspects structurels similaires de la présente divulgation. Aux fins d’explication et d’illustration, et non délimitation, une vue partielle d’un exemple de réalisation d’une cellule de pixels intégrants selon la divulgation est présentée figure 1 et désignée généralement par le repère 100. D’autres modes de réalisation de cellules de pixels intégrants selon la divulgation, ou leurs aspects, sont présentés sur les figures 2 à 4, comme nous le décrirons. Les systèmes et procédés décrits dans le présent document prévoient un pixel intégrant ayant un mode de fonctionnement tel que chaque pixel d’une matrice peut fonctionner à la fois en mode haute sensi bi I i té et en mode haute capad té de pui ts I ors d’une même exposi ti on.

Comme le montre la figure 1, une cellule de pixels 100 comprend un premier condensateur d’intégration 102, un second condensateur d’intégration 104, un photodétecteur 106, par exemple une photodiode, et un transistor NMOS 108. Le premier condensateur d’intégration 102 comprend un premier fil 110 couplé fonctionnellement pour collecter une charge émanant du photodétecteur 106. Le second condensateur d’intégration 104 comprend un premier fil 112. Le transistor 108 est couplé fonctionnellement entre les fils 110 et 112 des premier et second condensateurs d’intégration 102 et 104, respectivement, pour permettre qu’un courant photoélectrique circule entre le photodétecteur 106 et le second condensateur d’intégration 104 seulement une foi s qu’une tension seuil Vseuii a été atteinte sur le prerraer-condensateur d’4rrtégratk>n'102. Le second condensateur d’intégration 104 a une capacité supérieure à celle du premier condensateur d’intégration 102.

La tension seuil Vseuii, telle que représentée sur la figure 1, est régie par l'équation suivante :

dans laquelle Vcoude est une tension qui représente la tension de grille du transistor 108 et Vseuilnest une tension qui représente la tension seuil NMOS du transistor 108. L’homme du métier comprendra aisément qu’il peut régler la tension seuil Vseuii en réglant la tension Vcoude du transistor 108.

Toujours à propos de la figure 1, les premier et second condensateurs d’intégration 102 et 104, respectivement, sont couplés fonctionnellement en série par rapport au trajet de courant d’un signal électrique lSig. La cellule de pixels 100 comprend un second transistor PMOS 120 couplé fonctionnellement entre le photodétecteur 106 et le premier condensateur d’intégration 102. La cellule de pixels 100 comprend également un miroir de courant 118 couplé fonctionnellement entre le photodétecteur 106 et les condensateurs 102 et 104. La cellule de pixels 100 comprend un amplificateur d’entrée 116. L’amplificateur d’entrée 116 est couplé fonctionnellement entre le photodétecteur 106 et le miroir de courant 118. MO et Ml du miroir de courant 118 sont couplés fonctionnellement à des sources polarisation respectives 122 utilisées pour contrôler le miroir de courant 118 et pour synchroniser un courant photoélectrique d’entrée lin et le courant photoélectrique miroir ISig. Un dispositif de réinitialisation de la tension 124 est couplé fonctionnellement au premier condensateur d’intégration 102. Le dispositif de réinitialisation de la tension 124 a pour fonction de réinitialiser une tension Vinti aux homes du premier condensateur d’intégration 102 à une tension de réinitialisation Vrémit. Chacun des premier et second condensateurs d’intégration 102 et 104, respectivement, se termine par un réseau de terre.

Le photodétecteur 106 produit un courant photoélectrique d’entréeIm. Le second transistor 120 est couplé au photodétecteur 106 et fait passer le courant photoélectrique Im émispar ce dernier. Le second transistor 120 est couplé au miroir de courant 118. Le miroir de courant 118 est conçu pour reproduire un signal électrique ïSig proportionnel à lin. Le miroir de courant 118 est couplé fonctionnellement au second condensateur d’intégration 104 et au transistor 108. Le transistor 408 contrôle la décharge des premier et second condensateurs d’intégration 102 et 104, respectivement.

Les premier et second condensateurs d’intégration 102 et 104 ont respectivement pour fonction de convertir le signal électrique ISig émis par le photodétecteur 106 en une tension, similaire par exemple à la tension intégrée représentée sur la figure 4 et décrite ci-après. La figure 1 montre la cellule de pixels 100 en intégration de haute tension en basse tension, la courbe de la figure 4 représentant, elle, une cellule de pixels 200 en intégration de basse tension en haute tension. Comme le comprendra aisément l’homme du métier, une courbe représentant la tension intégrée en fonction du courant photoélectrique pour la cellule de pixels 100 serait identique à la courbe illustrée sur la figure 4, mis à part le fait que Vréinit serait supérieure à Vseuii.

Il est envisagé que lors de l’exposition initiale, équivalente par exemple à une tension supérieure à Vseuü, lorsqu’il n’est pas nécessaire que la capacité de puits soit élevée, le transistor 108 permette au courant de circuler uniquement depuis le premier condensateur d’intégration 102, par exemple le plus petit condensateur d’intégration. Dans des conditions où il y a suffisamment de lumière pour que le signal électrique Lig atteigne un seuil, équivalent par exemple à Vseuii dans le premier condensateur d’intégration 102, le courant circule à partir du premier condensateur d’intégration 102 et du second condensateur d’intégration 104, par exemple un condensateur d’intégration plus grand, fournissant à un pixel individuel à la fois la haute sensibilité du premier condensateur d’intégration 102 et la haute capacité de puits du second condensateur d’intégration 104 au cours de la même période d’exposition. Comme le comprendra ä sèment l’homme du métier, on obtient ainsi une image à bruit réduit à un niveau de haute capacité de puits, par rapport à un imageur utilisant des pixels intégrants classiques. Cela peut également permettre d’améliorer! ’itriagerieinfrarougeàondes courtes{SWIR).

Comme le comprendra aisément aussi l’homme du métier, les modes de réalisation de la présente invention prévoient un contrôle adaptatif à réglage automatique, pour permettre une capacité de puits élevée en lumière forte et une capacité de puits peu élevée - en lumière faible, ce qui peut engendrer une plage dynamique étendue, qui serait difficile à obtenir autrement au moyen d’un seul condensateur, petit ou grand. En outre, comme le comprendra aisément aussi l’homme du métier, les gains de conversion de pixels de chaque pixel s’adaptent de manière indépendante lorsque le niveau VSeuii est atteint dans chacun des pixels, contrairement aux pixels classiques où le mode est uniforme pour toute la matrice de capteurs. Cela tend a agrandir la plage dynamiqué du pixel intégrant par rapport à celle des pixels intégrants classiques. En outre, bien que les cellules de pixels soient décrites à propos de la figure 1 comme effectuant une intégration de haute tension en basse tension, l’homme du métier comprendra aisément que les cellules de pixels peuvent également effectuer une intégration de basse tension en haute tension, comme nous l’expliquons d-après à propos de la figure 2, Vseuü pouvant par exemple s’obtenir dans un sens ou dans Γ autre selon que le transistor de contrôle est un transistor NMOS ou PMOS. S agissant à présent de la figure 2, la cellule de pixels 200 est similaire à la cellule de pixels 100. La cellule de pixels 200 comprend un transistor 208 qui est un transistor PMOS. La cellule de pixels 200 effectue une intégration de basse tension en haute tension, par exemple à une tension inférieure à Vseuii le transistor 208 laisse le courant circuler uniquement vers un premier condensateur d’intégration202 et, à partir de Vseuii et au-dessus, le courant circule vers le premier condensateur d’intégration202 et vers un second condensateur d’intégration 204. L’homme du métier comprendra aisément que cela procure des avantages similaires à ceux décrits ci-dessus à propos de la figure 1. En outre, la cellule de pixels 200 ne comporte pas de miroir de courant, tel le miroir de courant 118, ni d’amplificateur d’entrée, tel l’amplificateur d’entrée 116. L’homme du métier comprendra aisément qu’ en raison de l’absence de miroir de courant, ISig est le même qu’lm décrit ci-dessus. Il est envisagé que le miroir de courant et/ou l’amplificateur eoient des composants facultatifs. Comme le comprendra aisément aussi l’homme du métier, la cellule de pixels 200 peut être utilisée dans divers pixels d’i ntégration adaptés.

La tension seuil Vseuii, telle que représentée sur la figure 2, est régie par I ’ équation suivante :

dans laquelle Vcoude est une tension qui représente la tension de grille du transistor 208 et Vseuiip est une tension qui représente la tension seuil PMOS du transistor208. L’homme du métier comprendra asément qu’il peut régler la tension seuil Vseuii en réglant la tension VCOude du transistor 208.

Comme le montre la figure 3, la cellule de pixels 300 est similaire à la cellule de pixels 100. Dans la cellule de pixels 300, des premier et second condensateurs d’intégration 302 et 304, respectivement, sont agencés en parallèle par rapport au trajet de courant du signal électrique ISig. L’homme du métier comprendra aisément queles premier et second condensateurs d’intégration 102 et 104 peuvent être disposés soit en série, comme le montre la figure 1, soit en parallèle comme le montre la figure 3.

Si nous examinons à présent les figures 1 à4, un prooédéd’intégration de courant photoélectrique pour des cellules de pixels à double gain, par exemple les cellules de pixels 100, 200 et 300, comprend la réception d’un signâ électrique Isig dans un premia' condensateur d’intégration, par exempte les'premiers condensateurs d’intégration 102, 202 et 302, lorsqu’une tension Vmti sur le premier condensateur d’intégration se trouve dans une première plage de tension, par exemple la première plage de tension 401. La première plage de tension se situe entre la tension de réinitialisation Vréimt et la tension seuil Vseuii. Dans la première plage de tension, la sensibilité des pixels, par exemple un premier gain de conversion, et une première capacité de puits sont régies par les équations suivantes :

dans lesquelles CGI est le premier gain de conversion, WC1 est la première capacité de puits et Cl est la valeur du premier condensateur d’intégration.

Lorsque Vinti se trouve dans une seconde plage de tension, par exemple une seconde plage de tension 403, un signal électrique ISig émis par le photodétecteur est reçu dans le premier condensateur d’intégration et un second condensateur d’intégration, par exemple les condensateurs d’intégration 104, 204 et 304, résultant en une tension intégrée Vinti,2 qui est fonction à la fois du premier et-second condensateur-d’intégration. En ce qui concerne 1 es f igures 1 et 3, par exemple les cellules de pixels 100 et 300, la seconde plage de tension est inférieure ou égale à Vseuii. -S’agissant desfigures 2 et 4, par exemple la cellulede pixels 200, la seconde plage de tension est supérieure ou égale à la tension seuil Vseuii. Dans la seconde plage de tension, la sensibilité des pixels, par exemple un second gain de conversion, et une seconde capacité de puits sont régies par les équations suivantes :

dans lesquelles CG2 est le second gain de conversion, WC2 est la seconde capacité de puits, C1 est la vaieur du premier condensateur d’intégration et C2 est la valeur du second condensateur d’intégration.

Selon les équations ci-dessus, une réponse en tension de la cellule de pixels 200 est illustrée sur la figure 4. La tension aux bornes du premier condensateur d’intégration202 est réinitialisée à Vréinit, la tension intégrée commence donc à Vréinit et comme le courant photoélectrique, par exemple le signal électrique ISig, est présent dans le temps, la tension intégrée augmente. Entre

Vréinit et Vseuil; la tension intégrée et le gain de courant sont fonction du premier condensateur d’intégration202, la charge photoélectrique va par exemple s’accumuler «sur lepremier condensateur d'intégration 202. La tension sur le second condensateur d’intégration 204 est réinitialisée à VCOude + Vseuiip, ce qui est égal à Vseuil, comme expliqué ci-dessus. Par conséquent, lorsque la tension intégrée atteint ou dépasse Vseuii, la tension intégrée et le gain de courant sont fonction à lafoisdu premier et du second -condensateur d’iirtégration 202 et 204, respectivement, par exemple la charge photoélectrique progressive va s’aocumuler sur, à la fois, le premier et le second condensateur d’intégration 202 et 204, respectivement. L’homme du métier comprendra aisément qu’il peut régler Vseuii entre les deux gains de conversion en réglant Vcoude du transistor PMOS 208 ou en réglant une tension seuil PMOS Vseuiip d’un transistor PM OS 220.

Les procédés et systèmes dé la présente divulgàtion, tels que décrits ci-dessus et illustrés sur les dessins, prévoient des éléments de détection optique dotés de propriétés supérieures, notamment d’une qualité d’image améliorée. Les dispositifs et procédés de la .présente divulgation ont été présentés et décrits en référence à des modes de réalisation préférés, mais l’homme du métier comprendra aisément qu’ il peut apporter des changements et/ou des modifications à ces derniers sans pour autant s’écarter de l’esprit et de la portée de la présente divulgation.

Claims

REVENDICATIONS 1. "Cellule depixels -comprenant: un premier condensateur d’intégration dont un premier fil est couplé fonctionnellement à un photodétecteur ; un second condensateur d’intégration doté d’un premier fiI ; et -un transistor -couplé fonctionnel lement entre les fils des premier et second condensateurs d’intégration pour permettre la circulation de courant entre le photodétecteur et le second condensateur d’intégration seulement une fois qu’une tensi on seuil a été attei nte aux bornes du premi er condensateur d’i ntégration.
2. Cellule de pixels selon la revendication 1, dans laquelle le second condensateur d’intégration a une capacité supérieure à celle du premier condensateur dM htégrâti on.
3. Cellule de pixels selon la revendication 1, comprenant en outre un miroir de courant couplé fonctionnellement entre le photodétecteur elles condensateurs.
4. Cellule de pixels selon la. revendication 1, dans laquelle 1e transistor est au moins soit un dispositif de type NMOS, soit un dispositif de type PMOS.
5. Cellule de pixels selon la revendication 1, comprenant en outre un second transistor couplé fonctionnellement entre le photodétecteur et le premier condensateur d’i ntégration.
6. Cellule de pixels selon la revendication 1, dans laquelle le photodétecteur est une photodiode.
7 Cellule de pixels selon la revendication 1, dans laquelle les premier et second condensateurs d’intégration sont couplés fonctionnellement en série par rapport au trajet de courant d’un signal.
8. Cellule de pixels selon la revendication 7, comprenant en outre un dispositif de réinitialisation de la tension couplée fonctionnellement au premier condensateur d’intégration et un amplificateur d’entrée couplé fonctionnellement entre le photodétecteur et un miroir de courant, dans laquelle chacun des premier et second condensateurs d’intégration est mis à la terre et dans laquelle le miroir de courant est couplé fonctionnellement à des sources de tension de polarisation.
9 Cellule de pixels selon la revendication 1, dans laquelle les premier et second condensateurs d’intégration sont couplés fonctionnellement en parallèle par rapport au trsjetdecourant d’unsignal.
10. Cellule de pixels selon la revendication 9, comprenant en outre un dispositif de réinitialisation de la tension couplée fonctionnellement au premier condensateur d’intégration et un amplificateur d’entrée couplé fonctionnellement entre le photodétecteur, et un miroir de courant, dans laquelle-chacun des premier et second condensateurs d’intégration est mis à la terre, et dans laquelle le miroir de courant est couplé fonctionnellement à des sources de tension de polarisation.
11. Procédé d’intégration de courant photoélectrique pour des cellules de pixels à double gain, comprenant : la réception d’un signal électrique émis par un photodétecteur dans un premier condensateur d” intégrât!oh lorsque la tension du premier condensateur d’intégration se trouve dans une première plage de tension, la première plage de tension allant d’tinetension de réinitialisation à unetension seuil, la sensibilité des pixels et la capacité de puits dans la .première plage de tension étant fonction de la valeur du premier condensateur d’intégration ; et la réception d’un signal électrique émis par le photodétecteur dans le premier condensateur d’intégration et un second condensateur d’intégration lorsque la tension du premier condensateur d’intégration se trouve dans une seconde plage de tension, la sensibilité des pixels et la capacité de puits dans la seconde plage de tension étant fonction de la somme des valeurs des premier et second condensateurs d’intégration.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la première plage de tension est supérieure à la tension de réinitialisation.
13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la seconde plage de tension est supérieure ou égale à la tension seuil.
14. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la première plage de tension est inférieure à une tension de réinitialisation.
15. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la seconde plage de tension est inférieure ou égale à la tension seuil.